物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

楊韶男

（太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

人們生活水平不斷提高，對環(huán)境熱舒適性也提出了更高要求，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行消耗的能源在建筑運(yùn)行總能耗中所占比重較大，一個優(yōu)良的空調(diào)自動控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并且還可以在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時達(dá)到節(jié)能降耗的目的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，其也逐漸受到了建筑領(lǐng)域的重視，暖通空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的一個重要組成部分，在管理設(shè)備與自動運(yùn)行系統(tǒng)方面也開始引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以此來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問與遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。因此，應(yīng)充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來，從而有效地促進(jìn)暖通空調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)，是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的延伸與擴(kuò)展，它可將多種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合，形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)任何時間、任何空間、人、機(jī)、物的連接。其技術(shù)組成（簡單版）如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上也是一種集信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，給人類的生活、工作帶來更方便的體驗(yàn)[1]。如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)造了更多的應(yīng)用場景，總的來說，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，加速了人工智能的應(yīng)用[2]。

物聯(lián)網(wǎng)的體系主要由3個結(jié)構(gòu)組成：（1）感知層：收集各種數(shù)據(jù)與信息；（2）網(wǎng)絡(luò)層：又稱傳輸層，主要功能為將感知層收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層；（3）應(yīng)用層：利用信息技術(shù)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類、分析與處理，完成各種任務(wù)需求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括5大核心技術(shù)：（1）RFID技術(shù)：即射頻識別技術(shù)，是讓物“開口說話”的關(guān)鍵技術(shù)，是一種簡單的無線系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括一個閱讀器與多種標(biāo)簽，標(biāo)簽中存儲著規(guī)范且具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)自動收集到中央信息系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)物品的識別；（2）傳感器技術(shù)：是一門多學(xué)科的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，它從自然資源和過程中獲取信息，并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換和識別，主要負(fù)責(zé)接收物體的“聲音”內(nèi)容；（3）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：要實(shí)現(xiàn)人與人之間無障礙通信，必然離不開高速的無線網(wǎng)絡(luò)，才能傳輸大量的數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括藍(lán)牙與紅外線技術(shù)；（4）人工智能技術(shù)：是一種通過計(jì)算機(jī)模擬某些思維過程和智能行為的技術(shù)，其在物聯(lián)網(wǎng)主要是通過分析物體的“聲音”內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動處理；（5）云計(jì)算技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)終端計(jì)算能力與存儲容量是有限的，云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的存儲與計(jì)算[3-4]。

物聯(lián)網(wǎng)可以構(gòu)成許多智能應(yīng)用，可應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域，包括幾乎所有的行業(yè)。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在暖通空調(diào)中得到了廣泛應(yīng)用，其在暖通空調(diào)中應(yīng)用框架的總體架構(gòu)如圖2所示，如物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)的遠(yuǎn)程操控、智能控制器可實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的分戶冷量計(jì)費(fèi)、AI技術(shù)可使暖通空調(diào)運(yùn)行達(dá)到節(jié)能目的，根據(jù)建筑物的具體情況在不同的暖通空調(diào)系統(tǒng)中引入不同技術(shù)，以此來充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢[5]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 有利于加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的管控

科學(xué)合理地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，既可以為居民創(chuàng)造一個舒適的生活環(huán)境，還可在建筑設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)檢測等方面帶來很多便利?，F(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在暖通空調(diào)中應(yīng)用最明顯的優(yōu)勢是可以實(shí)時控制與診斷暖通空調(diào)數(shù)據(jù)，故空調(diào)制造商也在物聯(lián)網(wǎng)一體化方向邁進(jìn)，嘗試開發(fā)能夠?qū)崟r運(yùn)行的設(shè)備。操作人員應(yīng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對暖通空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)測管理，以防止空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障造成停機(jī)，不僅節(jié)省了空調(diào)維修成本，且可以隨時對空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，保證空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[6]。

2.2 實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗

暖通空調(diào)運(yùn)行過程中能源消耗較高，因此居民在使用暖通空調(diào)的過程中，越來越重視節(jié)能環(huán)保的性能，而暖通空調(diào)設(shè)備中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。例如在傳統(tǒng)的暖通空調(diào)使用方式中，無法突破時間、地點(diǎn)限制，只有與空調(diào)相隔距離較近才能啟動與停止空調(diào)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以有效改善這一缺陷，通過智能手機(jī)相關(guān)APP就可實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的控制，還可以定時開啟與關(guān)閉，不僅為居民生活提供了方便，而且在一定程度上實(shí)現(xiàn)了能耗最小化，達(dá)到了高效、節(jié)能、降耗的目的[7]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

3.1 嵌入式技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用

人類生活水平不斷提高，對傳統(tǒng)的空調(diào)產(chǎn)品也提出了新要求，即是否能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)開關(guān)、溫度等遠(yuǎn)程操作。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對暖通空調(diào)遠(yuǎn)程控制已成為可能，用戶可利用一個控制器，通過電腦或手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對暖通空調(diào)的遠(yuǎn)程控制，包括開機(jī)、調(diào)溫度、關(guān)機(jī)等。通常以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)來開發(fā)設(shè)計(jì)用于暖通空調(diào)開關(guān)的控制器，空調(diào)控制部分可由嵌入式微處理器 S3C4510B來實(shí)現(xiàn)，再利用S3C4510B的I／O接口外部連接繼電器實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)開關(guān)，最后通過climax操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與其他系統(tǒng)功能，以此來實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[8-9]。

移動終端主控器軟件的設(shè)計(jì)部分主要包含了uboot移植、系統(tǒng)移植、設(shè)備驅(qū)動程序編寫、內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序編寫等。首先啟動Bootloader，通過程序?qū)ο到y(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行初始化并對應(yīng)的建立起內(nèi)存空間影射，使系統(tǒng)可以成功調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。主控制器運(yùn)行系統(tǒng)為UHomeOS，基于該系統(tǒng)提供的開發(fā)工作進(jìn)行編譯和調(diào)試，UHomeOS提供了多種開發(fā)套件，可以實(shí)現(xiàn)賬號服務(wù)、uSDK等多種相關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)能力。在UHomeOS操作系統(tǒng)被啟動后，用戶可以通過移動終端對智能暖通空調(diào)設(shè)備發(fā)送開啟或關(guān)閉的相應(yīng)指令，指令在路由器與WiFi的傳輸下被送至主控制器，在接收到指令后，會記錄其開啟時刻，通過GET請求，從相應(yīng)服務(wù)器API獲取天氣數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)定期向云平臺上報智能暖通空調(diào)的開啟時間與天氣數(shù)據(jù)，其主控器軟件的流程圖見下圖3所示[10]。

此外，研究人員還利用嵌入式Web技術(shù)設(shè)計(jì)了Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了基于模糊控制算法的遠(yuǎn)程監(jiān)控仿真空調(diào)控制系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的性能，以此實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用Web服務(wù)器對空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制（如圖4所示），且穩(wěn)定性好，可靠性較高，具有良好的應(yīng)用前景[11]。

3.2 智能控制器在暖通空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用

合理使用與控制空調(diào)系統(tǒng)，是在滿足舒適要求的同時減少能源消耗的最有效方法，但當(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)計(jì)費(fèi)需要單獨(dú)建立計(jì)費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，從而增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。若在冷量計(jì)費(fèi)方面采取分戶冷量計(jì)費(fèi)，不僅增加了成本，且加大了冷量表的維護(hù)工作量，因此一般采用其他方法計(jì)算冷量，如采用基于時間的計(jì)算方法來計(jì)算風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的風(fēng)速設(shè)定參數(shù)與運(yùn)行時間，這種方法雖然實(shí)施起來簡單，但容易產(chǎn)生較大誤差，而通過測試風(fēng)機(jī)、供水、回水溫差與流量等參數(shù)計(jì)算出的冷量計(jì)費(fèi)方式精度較高，但涉及檢測流量，成本較高且安裝維護(hù)不便[12]。

因此，如果研制出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的智能控制器及相應(yīng)的終端設(shè)備，將暖通空調(diào)系統(tǒng)中所有終端設(shè)備集成為一體化管理與控制，根據(jù)智能控制器的特點(diǎn)，對暖通空調(diào)末端設(shè)備采用計(jì)算空氣焓差的方式進(jìn)行冷量計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)冷量分戶計(jì)費(fèi)，該方法比按時計(jì)費(fèi)更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。當(dāng)前很多廠家都開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空調(diào)運(yùn)行管理平臺，可以同時實(shí)現(xiàn)分戶冷量計(jì)費(fèi)、設(shè)備運(yùn)行控制和系統(tǒng)管理等功能，為空調(diào)節(jié)能運(yùn)行管理提供了有效技術(shù)手段[13]。

3.3 人工智能技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)（以下簡稱AI技術(shù)）在暖通空調(diào)中的應(yīng)用主要是融合傳感技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能控制，使空調(diào)在能效最佳點(diǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能按需供熱/冷，以此來實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的AI暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)，見圖5[14]。

AI技術(shù)可根據(jù)自然環(huán)境的變化以及用戶對室內(nèi)環(huán)境舒適要求的感知自動調(diào)節(jié)供熱/制冷量，采用自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)策略實(shí)現(xiàn)能源按需供應(yīng)，并且還可根據(jù)電壓以與電流值數(shù)據(jù)的反饋來估測暖通設(shè)備使用壽命，分析設(shè)備運(yùn)行最佳狀態(tài)，選擇最佳節(jié)能方案，促使暖通空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行，降低能耗。AI技術(shù)主要是采用一種極其緊湊、多芯片、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與節(jié)能控制（如圖6所示），通信軟件則用于對能源設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行采集、分析與控制，通過嵌入節(jié)能策略與自學(xué)習(xí)智能算法科學(xué)控制暖通設(shè)備的運(yùn)行，故將AI技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域，可以使空調(diào)系統(tǒng)資源得到充分利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的[15]。

4 結(jié)語

綜上所述，在建筑暖通空調(diào)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)技術(shù)與系統(tǒng)已不能滿足人們對新時代建筑的要求，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效應(yīng)用，能有效實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、合理計(jì)費(fèi)、節(jié)能降耗等方面的使用需求，為建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)管理提供了有效的技術(shù)手段。